4- IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS

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1 4- IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS
ASSUNTO 4- IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS - Defeitos pontuais - Defeitos de linha (discordâncias) -   Defeitos de interface (grão e maclas) -  Defeitos volumétricos (inclusões, precipitados)

2 O QUE É UM DEFEITO? É uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal. Podem envolver uma irregularidade na posição dos átomos no tipo de átomos O tipo e o número de defeitos dependem do material, do meio ambiente, e das circunstâncias sob as quais o cristal é processado.

3 IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS
Apenas uma pequena fração dos sítios atômicos são imperfeitos Menos de 1 em 1 milhão Menos sendo poucos eles influenciam muito nas propriedades dos materiais e nem sempre de forma negativa

4 IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS - IMPORTÂNCIA-
DEFEITOS INTRODUÇÃO SELETIVA CONTROLE DO NÚMERO ARRANJO Permite desenhar e criar novos materiais com a combinação desejada de propriedades

5 IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS Exemplos de efeitos da presença de imperfeições
O processo de dopagem em semicondutores visa criar imperfeições para mudar o tipo de condutividade em determinadas regiões do material A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições que geram um aumento na resistência mecânica (processo conhecido como encruamento) Wiskers de ferro (sem imperfeições do tipo discordâncias) apresentam resistência maior que 70GPa, enquanto o ferro comum rompe-se a aproximadamente 270MPa.

6 IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS
São classificados de acordo com sua geometria ou dimensões

7 IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS
Defeitos Pontuais associados c/ 1 ou posições atômicas Defeitos lineares uma dimensão Defeitos planos ou interfaciais (fronteiras) duas dimensões Defeitos volumétricos três dimensões

8 1- DEFEITOS PONTUAIS Vacâncias ou vazios Átomos Intersticiais Schottky
Frenkel Ocorrem em sólidos iônicos

9 VACÂNCIAS OU VAZIOS Envolve a falta de um átomo
São formados durante a solidificação do cristal ou como resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais)

10 VACÂNCIAS OU VAZIOS O número de vacâncias aumenta exponencialmente com a temperatura Nv= N exp (-Qv/KT) Nv= número de vacâncias N= número total de sítios atômicos Qv= energia requerida para formação de vacâncias K= constante de Boltzman = 1,38x1023J/at.K ou ,62x10-5 eV/ at.K

11 INTERSTICIAIS Envolve um átomo extra no interstício (do próprio cristal) Produz uma distorção no reticulado, já que o átomo geralmente é maior que o espaço do interstício A formação de um defeito intersticial implica na criação de uma vacância, por isso este defeito é menos provável que uma vacância

12 INTERSTICIAIS Átomo intersticial grande Gera maior distorção na rede
Átomo intersticial pequeno

13 FRENKEL Ocorre em sólidos iônicos
Ocorre quando um íon sai de sua posição normal e vai para um interstício

14 SCHOTTKY Presentes em compostos que tem que manter o balanço de cargas
Envolve a falta de um ânion e/ou um cátion

15 CONSIDERAÇÕES GERAIS Vazios e Schottky favorecem a difusão
Estruturas de empacotamento fechado tem um menor número intersticiais e Frenkel que de vazios e Schottky Porque é necessária energia adicional para forçar os átomos para novas posições

16 IMPUREZAS NOS SÓLIDOS Um metal considerado puro sempre tem impurezas (átomos estranhos) presentes 99,9999% = impurezas por cm3 A presença de impurezas promove a formação de defeitos pontuais

17 LIGAS METÁLICAS As impurezas (chamadas elementos de liga) são adicionadas intencionalmente com a finalidade: aumentar a resistência mecânica aumentar a resistência à corrosão Aumentar a condutividade elétrica Etc.

18 A ADIÇÃO DE IMPUREZAS PODE FORMAR
Soluções sólidas < limite de solubilidade Segunda fase > limite de solubilidade A solubilidade depende : Temperatura Tipo de impureza Concentração da impureza

19 Termos usados Elemento de liga ou Impureza soluto (< quantidade)
Matriz ou solvente Hospedeiro (>quantidade)

20 SOLUÇÕES SÓLIDAS A estrutura cristalina do material que atua como matriz é mantida e não formam-se novas estruturas As soluções sólidas formam-se mais facilmente quando o elemento de liga (impureza) e matriz apresentam estrutura cristalina e dimensões eletrônicas semelhantes

21 SOLUÇÕES SÓLIDAS Nas soluções sólidas as impurezas podem ser:
- Intersticial - Substitucional Ordenada Desordenada

22 SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS
INTERSTICIAL SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS Os átomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam os espaços dos interstícios Ocorre quando a impureza apresenta raio atômico bem menor que o hospedeiro Como os materiais metálicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posições intersticiais são relativamente pequenas Geralmente, no máximo 10% de impurezas são incorporadas nos interstícios

23 EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL
Fe + C solubilidade máxima do C no Fe é 2,1% a 910 C (Fe CFC) O C tem raio atômico bastante pequeno se comparado com o Fe rC= 0,071 nm= 0,71 A rFe= 0,124 nm= 1,24 A

24 Solubilidade do Carbono no Ferro
O carbono é mais solúvel no Ferro CCC ou CFC, considerando a temperatura próxima da transformação alotrópica? ccc cfc

25 TIPOS DE SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS
SUBSTITUCIONAL ORDENADA SUBSTITUCIONAL DESORDENADA

26 Estrutura cristalina mesma Eletronegatividade próximas
FATORES QUE INFLUEM NA FORMAÇÃO DE SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS REGRA DE HOME-ROTHERY Raio atômico deve ter uma diferença de no máximo 15%, caso contrário pode promover distorções na rede e assim formação de nova fase Estrutura cristalina mesma Eletronegatividade próximas Valência mesma ou maior que a do hospedeiro

27 EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTICIONAL
Cu + Ni são solúveis em todas as proporções Cu Ni Raio atômico 0,128nm=1,28 A 0,125 nm=1,25A Estrutura CFC Eletronegatividade 1,9 1,8 Valência +1 (as vezes +2) +2

28 2- DEFEITOS LINEARES: DISCORDÂNCIAS
As discordâncias estão associadas com a cristalização e a deformação (origem: térmica, mecânica e supersaturação de defeitos pontuais) A presença deste defeito é a responsável pela deformação, falha e ruptura dos materiais

29 2- DEFEITOS LINEARES: DISCORDÂNCIAS
Podem ser: - Cunha - Hélice - Mista

30 VETOR DE BURGER (b) Dá a magnitude e a direção de distorção da rede
Corresponde à distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância

31 2.1- DISCORDÂNCIA EM CUNHA
Envolve um SEMI-plano extra de átomos O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha da discordância Envolve zonas de tração e compressão

32 DISCORDÂNCIAS EM CUNHA
Fonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ

33 DISCORDÂNCIAS EM CUNHA
Fonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ

34 2.2- DISCORDANCIA EM HÉLICE
Produz distorção na rede O vetor de burger é paralelo à direção da linha de discordância

35 DISCORDANCIA EM HÉLICE

36 2.2- DISCORDANCIA EM HÉLICE
DISCORDÂNCIA EM HÉLICE NA SUPERFÍCIE DE UM MONOCRISTAL DE SiC. AS LINHAS ESCURAS SÃO DEGRAUS DE ESCORREGAMENT SUPERFICIAIS. (Fig in Schaffer et al.).

37 OBSERVAÇÃO DAS DISCORDANCIAS
Diretamente TEM ou HRTEM Indiretamente SEM e microscopia óptica (após ataque químico seletivo)

38 DISCORDÂNCIAS NO TEM

39 DISCORDÂNCIAS NO HRTEM

40 DISCORDÂNCIAS NO HRTEM

41 FIGURA DE ATAQUE PRODUZIDA NA DISCORDÂNCIA VISTA NO SEM
Plano (111) do GaSb Plano (111) do InSb

42 CONSIDERAÇÕES GERAIS A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos Com o aumento da temperatura há um aumento na velocidade de deslocamento das discordâncias favorecendo o aniquilamento mútuo das mesmas e formação de discordâncias únicas Impurezas tendem a difundir-se e concentrar-se em torno das discordâncias formando uma atmosfera de impurezas

43 CONSIDERAÇÕES GERAIS O cisalhamento se dá mais facilmente nos planos de maior densidade atômica, por isso a densidade das mesmas depende da orientação cristalográfica As discordâncias geram vacâncias As discordâncias influem nos processos de difusão As discordâncias contribuem para a deformação plástica

44 3- DEFEITOS PLANOS OU INTERFACIAIS
Envolvem fronteiras (defeitos em duas dimensões) e normalmente separam regiões dos materiais de diferentes estruturas cristalinas ou orientações cristalográficas

45 3- DEFEITOS PLANOS OU INTERFACIAIS
Superfície externa Contorno de grão Fronteiras entre fases Maclas ou Twins Defeitos de empilhamento

46 3.1- DEFEITOS NA SUPERFÍCIE EXTERNA
É o mais óbvio Na superfície os átomos não estão completamente ligados Então o estado energia dos átomos na superfície é maior que no interior do cristal Os materiais tendem a minimizar está energia A energia superficial é expressa em erg/cm2 ou J/m2)

47 3.2- CONTORNO DE GRÃO Corresponde à região que separa dois ou mais cristais de orientação diferente um cristal = um grão No interior de cada grão todos os átomos estão arranjados segundo um único modelo e única orientação, caracterizada pela célula unitária

48 Monocristal e Policristal
Monocristal: Material com apenas uma orientação cristalina, ou seja, que contém apenas um grão Policristal: Material com mais de uma orientação cristalina, ou seja, que contém vários grãos

49 LINGOTE DE ALUMÍNIO POLICRISTALINO

50 GRÃO A forma do grão é controlada:
- pela presença dos grãos circunvizinhos O tamanho de grão é controlado - Composição química - Taxa (velocidade) de cristalização ou solidificação

51 FORMAÇÃO DOS GRÃOS A forma do grão é controlada:
- pela presença dos grãos circunvizinhos O tamanho de grão é controlado - Composição - Taxa de cristalização ou solidificação

52 CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE CONTORNO DE GRÃO
Há um empacotamento ATÔMICO menos eficiente Há uma energia mais elevada Favorece a nucleação de novas fases (segregação) favorece a difusão O contorno de grão ancora o movimento das discordâncias

53 .........A RESISTÊNCIA DO MATERIAL
Discordância e Contorno de Grão A passagem de uma discordância através do contorno de grão requer energia DISCORDÂNCIA O contorno de grão ancora o movimento das discordância pois constitui um obstáculo para a passagem da mesma, LOGO QUANTO MENOR O TAMANHO DE GRÃO A RESISTÊNCIA DO MATERIAL

54 CONTORNO DE PEQUENO ÂNGULO
Ocorre quando a desorientação dos cristais é pequena É formado pelo alinhamento de discordâncias

55 OBSERVAÇÃO DOS GRÃOS E CONTORNOS DE GRÃO
Por microscopia (ÓTICA OU ELETRÔNICA) utiliza ataque químico específico para cada material O contorno geralmente é mais reativo

56 GRÃOS VISTOS NO MICROSCÓPIO ÓTICO

57 TAMANHO DE GRÃO O tamanho de grão influi nas propriedades dos materiais Para a determinação do tamanho de grão utiliza-se cartas padrões ASTM ou ABNT

58 DETERMINAÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO (ASTM)
Quanto maior o número menor o tamanho de grão da amostra Tamanho: 1-10 Aumento: 100 X N= 2 n-1 N= número médio de grãos por polegada quadrada n= tamanho de grão

59 Existem vários softwares comerciais de simulação e determinação do tamanho de grão

60 CRESCIMENTO DO GRÃO com a temperatura
Em geral, por questões termodinâmicas (energia) os grãos maiores crescem em detrimento dos menores

61 3.3- TWINS MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS
É um tipo especial de contorno de grão Os átomos de um lado do contorno são imagens especulares dos átomos do outro lado do contorno A macla ocorre num plano definido e numa direção específica, dependendo da estrutura cristalina

62 ORIGENS DOS TWINS MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS
O seu aparecimento está geralmente associado com A PRESENÇA DE: - tensões térmicas e mecânicas - impurezas - Etc.

63 4- IMPERFEIÇÕES VOLUMÉTRICAS
São introduzidas no processamento do material e/ou na fabricação do componente

64 4- IMPERFEIÇÕES VOLUMÉTRICAS
- Inclusões Impurezas estranhas Precipitados são aglomerados de partículas cuja composição difere da matriz - Fases forma-se devido à presença de impurezas ou elementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado) - Porosidade origina-se devido a presença ou formação de gases

65 Inclusões INCLUSÕES DE ÓXIDO DE COBRE (Cu2O) EM COBRE DE ALTA PUREZA (99,26%) LAMINADO A FRIO E RECOZIDO A 800o C.

66 Inclusões SULFETOS DE MANGANÊS (MnS) EM AÇO RÁPIDO.

67 Porosidade As figuras abaixo apresentam a superfície de ferro puro durante o seu processamento por metalurgia do pó. Nota-se que, embora a sinterização tenha diminuído a quantidade de poros bem como melhorado sua forma (os poros estão mais arredondados), ainda permanece uma porosidade residual. COMPACTADO DE PÓ DE FERRO APÓS SINTERIZAÇÃO A 1150oC, POR 120min EM ATMOSFERA DE HIDROGÊNIO COMPACTADO DE PÓ DE FERRO,COMPACTAÇÃO UNIAXIAL EM MATRIZ DE DUPLO EFEITO, A 550 MPa

68 EXEMPLO DE PARTÍCULAS DE SEGUNDA FASE
A MICROESTRUTURA É COMPOSTA POR VEIOS DE GRAFITA SOBRE UMA MATRIZ PERLÍTICA. CADA GRÃO DE PERLITA, POR SUA VEZ, É CONSTITUÍDO POR LAMELAS ALTERNADAS DE DUAS FASES: FERRITA (OU FERRO-A) E CEMENTITA (OU CARBONETO DE FERRO).

69 microestrutura da liga Al-Si-Cu + Mg mostrando diversas fases precipitadas

70 Micrografia da Liga Al-3,5%Cu no Estado Bruto de Fusão